CN117152917A - 基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法 - Google Patents
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Abstract
基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，涉及地震监测技术领域，解决现有地震监测方法由于地震台站之间的距离远，无法实现在短时间内发出预警，同时处理高精度数据增加了台网中心的成本等问题，本发明在被监测的地震区域布置多个监测终端并选出主监测终端，通过选举的方式确定主监测终端，其余从监测终端检测到地震波数据后与主监测终端检测到的地震波数据合并，获得中间结果；将所述中间结果与上一级被监测的地震区域的监测终端检测的地震波数据进行合并获得最终结果数据并传送至应急信息发布系统判断是否触发地震预警。本发明减少了台网中心与应急信息发布系统间通信环节，可以进一步缩短预警时间。
Description
技术领域
本发明涉及地震监测技术领域，具体涉及一种基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法。
背景技术
地震监测是在地震发生后，最邻近震中的地震台（或子台）首先测量到地震波，其它子台依次测到，根据各个地震台（或子台）在空间分布的坐标位置，可测定出地震波到来的方向即方位角，而后估算出震中距、震中烈度。
地震预警是根据地震监测得到的震中位置和震中烈度，快速估算地震影响范围和程度，依靠电磁波远高于地震波的速度，把预警信息送往受影响区域，抢在破坏性地震波到达目标地之前发布警报，赢得避险时间。
如上文描述，地震台（或子台）检测到地震波信息，把数据统一发往国家台网中心或区域台网中心，由台网中心对数据进行统一处理。
台网中心陆续接收到不同地点的地震台（或子台）发来的地震波数据，根据各个地震台（或子台）在空间分布的坐标位置，一般是大于3个，可估算出地震波到来的方向即方位角，而后估算出震中距、震中烈度。
目前，已经建成的地震台站之间距离比较远，为百千米级别，建设中的国家地震烈度速报与预警工程，台站平均距离大大缩短，但是也有10-15千米，按照大于3个台站依次检测到地震波，把数据发往台网中心，台网中心联合判断的流程，即便是重点部署的区域，也要5-10秒后才能发出预警；四大重点区域之外，台站很稀疏，需要长的时间发出预警。
专业地震台站，有长期地质研究和数据记录的任务，建设要求的测量精度高，一般要求能够检测1级甚至1级以下的地震，成本也高，就会导致覆盖率低，即将建成的国家地震烈度速报与预警工程，重点覆盖区域是华北、南北地震带、东南沿海、新疆天山终段四个区域。
处理大量高精度的基础数据，分析是否有地震发生，计算发震时刻、震中位置、震中烈度、震中震级，推高了台网中心的建设成本。
美国加州大学伯克利分校孔庆凯2016年在ScienceAdvances发文，伯克利的一项研究表明，使用多台随意放置的智能手机，利用智能手机的加速度传感器，能够在10千米的距离上准确测量5级以上震中烈度的地震事件。
近几年，MEMS传感器有了长足的发展；此外，上述文章中数据表明，固定在桌面上的手机和随意摆放的手机相比，有7dB以上的灵敏度优势。这些数据表明，在地方震（小于100千米）、近震（100-1000千米）领域，在地震预警（预警只关心有潜在破环性的地震事件，目前应急广播执行的目标地预期烈度阈值，一般为3级烈度及以上）领域，大量部署配备有商业级加速传感器的固定终端，对地震预警业务具有非常有益的补充。
2022年10月，国家广播电视总局联合五部委发文：到2025年底，全国70%以上的行政村部署2套以上应急广播主动发布终端；灾害事故多发易发地区和乡村治理重点地区行政村主动发布终端覆盖率达到100%，20户以上自然村部署1套以上应急广播主动发布终端。
发明内容
本发明为解决现有地震监测方法由于地震台站之间的距离远，无法实现在短时间内发出预警，同时处理高精度数据增加了台网中心的成本等问题，提供一种基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法。
基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、确定被监测的地震区域，通过选举的方式确定主监测终端，其余从监测终端检测到地震波数据后与所述主监测终端检测到的地震波数据合并计算，获得地震波数据的中间结果数据；
步骤二、确定步骤一所述地震区域的上一级被监测的地震区域，将所述中间结果数据与所述上一级被监测的地震区域的监测终端检测到的地震波数据进行合并计算，获得最终结果数据；
步骤三、将步骤二所述的最终结果数据传送至应急信息发布系统，所述应急信息发布系统根据预先定的监测终端数量阈值，判断是否触发地震预警。
本发明的有益效果：本发明方法通过大量部署的地震监测终端（如应急广播终端），利用终端内部集成的MEMS传感器进行地震监测。使用商业级加速度传感器，大幅度降低了成本；大量部署终端，缩短了多站点检测的时间间隔，提高了预警速度；自组织分布式计算，降低了对台网中心的要求。在地震预警领域，是专业地震台网的有益补充，尤其适合地方震和近震场景。具体具备以下优势：
1、本发明方法中，监测终端采用商业级加速度传感器（MEMS传感器），在满足破环性地震预警的前提下，相比于仪器仪表级的地震监测设备，可以节约大量的建设成本。
2、本发明方法中，通过与应急信息发布系统相结合，在应急广播终端内实现对地震波的检测和分布式计算，能够进一步降低建设和运行维护的成本。
3、本发明方法中的站点密集，地震预警速度快。按使用3个站点进行震中定位考虑，以社区内距离500米，社区间距离1500米为例，相较于四大重点区域的10-15km的站点间距，以地震纵波速度7km/s计算，也能够缩短预警时间：由公式：(12.5*2)/7 – (0.5+1.5)/7≈ 3.3秒，可知，预警时间缩短3.3秒。
4、本发明方法通过与应急信息发布系统相结合，在应急信息发布系统内处理震中信息和发布地震预警，减少了台网中心与应急信息发布系统间通信环节，可以进一步缩短预警时间。
5、本发明方法中，通过与应急广播终端结合，且基于地震纵波（P波）比横波（S波）速度快，横波比纵波破环性大的原理，能够实现原地报警，为避开危害性大的横波赢得时间。以震中距30km，纵波速度7km/s，横波速度3.5km/s为例，能够原地报警：由公式：30/(7-3.5) ≈ 8.6秒，可知，能够在横波到达前提前8.6秒进行原地报警。
6、将本发明的监测终端在应急危险源区域的周边部署，可以实现警戒性地震预警，应急危险源周边不一定有行政区划，但是通过合理划分区域，可以在地震纵波初至周边部署的终端时，就对核心区域发布预警，适用于大型水坝、尾矿库、危化品生产、危化品存储、桥梁隧道等，为防灾避险赢得时间；
在灾害性地震预警领域，尤其对于地方震，国家地震烈度速报与预警工程存在站点间距导致的盲区，尤其是四大重点区域外的广大国土，盲区更大；本发明方法可以弥补这些盲区。
附图说明
图1为本发明所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法中地震监测终端的原理框图；
图2为本发明所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法的原理框图；
图3为本发明所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，该方法的具体实现方式为：
步骤一、确定被监测的地震区域（如村、社区），通过选举的方式确定主监测终端，其余从监测终端检测到地震波数据后与所述主监测终端检测到的地震波数据合并计算，获得地震波数据的中间结果数据；
本实施方式中，一般情况下，最先检测到地震波P波、并发布P波初动数据的设备称为主监测终端。
步骤二、确定步骤一所述地震区域的上一级被监测的地震区域（如乡镇、街道），将所述中间结果数据与所述上一级被监测的地震区域的监测终端检测到的地震波数据进行合并计算，获得最终结果数据；
步骤三、将步骤二所述的最终结果数据传送至应急信息发布系统，所述应急信息发布系统根据预先定的监测终端数量阈值，判断是否触发地震预警。
所述应急信息发布系统根据最终结果数据计算平均值，作为震源信息，并根据所述平均值发布地震预警信息。
本实施方式中，该方法通过自组织分布式地震监测及预警系统实现，所述自组织分布式地震监测及预警系统包括：
分布在被监测地震区域的多个监测终端；
接收所述监测终端发送的地震波数据并向所述监测终端发送地震预警信息的应急信息发布系统。
如图1所示，每个监测终端均包括主控制器，所述主控制器由MCU、RAM和ROM组成；与所述主控制器连接的MEMS传感器、GNSS定位器、GNSS校时器以及网络通信模块；
所述MEMS传感器获得的地震信息传送至主控制器，主控制器通过GNSS定位器及GNSS校时器校准后通过网络通信模块传送至应急信息发布系统。
所述地震信息包括监测终端的地理坐标信息、测得的地震波到达时刻和地震波烈度信息。
如图2所示，应急信息发布系统包括应急信息发布业务软件和pub/sub通信服务器，参考已公开的发明专利，申请号为：202310057428.9，发明名称为：应急信息发布方法及平台，该专利中根据国家、省、市、县、乡、村所对应的行政区划编码规划通信主题，监测终端通过自身位置订阅多级主题。但与其不同的是，本实施方式中，在所述应急信息发布业务软件中设置地震预警软件，通过地震预警软件向各监测地震区域发送预警信息同时接收各地震区域传送的震中信息。具体过程为：
一、当地震事件发生时，首先，地震波首先到达的社区（美丽园社区），通过选举产生主监测终端，美丽园社区内有m个监测终端（终端1，终端2，…，终端m），社区订阅的主题：xxx/110108005035，终端1首先测量到地震纵波（P波），如果震动超过预设的监测阈值（如7级烈度），则在xxx/110108005035主题上发送地震信息（包括本监测终端地理坐标、测得的地震波到达时刻和地震波烈度信息）。
终端2和终端m在测量到地震纵波之前，收到监测终端1的地震信息，则把监测终端1作为主监测终端。
终端2距离终端1比较近的情况下，终端1发出的地震信息尚在通信路途中，终端2已测量到地震纵波，并发出自身的地震信息。这种情况下，终端2随后收到终端1的地震信息，发现终端1的地震时刻早于自身发送的地震时刻，则把终端1作为主监测终端；终端m依次接收到终端1和终端2的地震信息，基于同样的理由把终端1作为主设备。
本实施方式中，比较近的情况下可以理解为：以震波主频率5Hz、检测时窗2个周期为例，检测时间为200*2=400ms；以P波波速7km/s为例，则最低距离为7*0.4=2.8km，将低于2.8km作为比较近的距离。
本实施方式中，终端1的地震信息，如果在通信过程中丢失，终端2会成为主设备；以此类推。
二、社区内的其余从监测终端根据主监测终端和从监测终端自身获取的地震信息，计算震中位置的中间结果数据；
所述中间结果数据的具体计算方法为：以Rydelek双曲线定位法为例，以两个设备为焦点，建立与P波波速有关的双曲线方程，震中位置位置示是果震预警软件，通过地震预警轼制器将地震灵气于这个双曲线方程所表示的曲线上；此双曲线方程，并附加主监测终端和自身的地震信息，作为中间结果数据。将所述中间结果数据发布主题xxx/110108005（八里庄街道主题）。
本实施方式中，对于各社区之间，采用上述同样的方法，以上述中间信息中的从设备的地震时刻为准，选举产生主社区。
三、对于从社区的监测终端，收到主社区从监测终端的中间结果、自身测量到地震信息后，以Rydelek双曲线定位法为例，再生成第二个双曲线方程，联合计算两个方程，计算出震中位置，震中位置即为两个双曲线方程的交叉点；再根据自身位置和震中位置的距离，距离除以P波速度（7千米/秒），得到P波传播时间，此刻时间减去传播时间，得到发震时刻。将本监测终端测得的震动烈度，以及震中距离，代入烈度衰减公式，可求得震中烈度。附加主监测终端、从监测终端和自身的地震信息，发送至主题xxx/epi（震中信息）。假设有n个社区，每个社区m台设备，则震中信息最多有(m-1)*m*(n-1)条。
四、通过应急信息发布系统中的地震预警软件从xxx/epi收取震中信息，超过预设的数量阈值，如(m-1)*3个，以每个社区4台监测终端（应急广播终端）为例，收到(4-1)*3=9条震中信息，则触发地震预警。所述地震预警软件，对已收取的震中信息求平均值，然后根据最终的震中信息，在合适的区域主题上，发布地震预警信息。
本实施方式中，震中位置快速定位，还可以采用4台连续定位法，即：采用4台以上监测设备，实现快速准确定位震中位置。
具体实施方式二、结合图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法的实施例：
针对社区/村的被监测地震区域，监测及预警过程为：
社区/村的监测终端，在社区或村主题上，交换地震P波测量结果；以P波到达时刻先后为准，选举产生主监测终端；
社区/村的监测终端，使用自身坐标和主监测终端地理坐标，获得震中位置的中间结果数据；并将中间结果数据、主监测终端及自身测量的P波测量结果，发布至街道或乡镇主题，交换中间信息；
不同社区/村的监测终端，以中间信息中从监测终端的P波到达时刻为准，选举产生主社区或村；
从社区/村的监测终端，使用主社区或村的中间信息，结合自身的P波测量结果，计算震中信息（震中位置、震中烈度、发震时刻），并发布至应急信息系统中的震中主题；
应急信息发布系统监测震中主题，接收超过预先设定数量的震中信息，则触发地震预警，并采用平均值作为震中信息进行发布。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、确定被监测的地震区域，通过选举的方式确定主监测终端，其余从监测终端检测到地震波数据后与所述主监测终端检测到的地震波数据合并计算，获得地震波数据的中间结果数据；
步骤二、确定步骤一所述地震区域的上一级被监测的地震区域，将所述中间结果数据与所述上一级被监测的地震区域的监测终端检测到的地震波数据进行合并计算，获得最终结果数据；
步骤三、将步骤二所述的最终结果数据传送至应急信息发布系统，所述应急信息发布系统根据预先设定的监测终端数量阈值，判断是否触发地震预警。
2.根据权利要求1所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：步骤一中，通过选举的方式确定主监测终端，具体指：将最先检测到地震波P波数据并发P波初动数据的监测终端作为主监测终端。
3.根据权利要求1所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：步骤一中，所述中间结果数据的具体计算方法为：采用双曲线定位法，以主监测终端和从监测终端作为焦点，建立与P波波速相关的第一双曲线方程，震中位置位置示是果震预警软件，通过地震预警轼制器将地震灵气于所述双曲线方程所表示的曲线上；并结合主监测终端和从监测终端的地震信息，作为中间结果数据。
4.根据权利要求3所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：针对多个被监测的地震区域之间，采用与选举主监测终端相同的方式，以所述中间结果数据中的从监测终端获取的地震时刻为准，选举产生主被监测的地震区域。
5.根据权利要求4所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：针对从被监测的地震区域的监测终端，接收到主被监测的地震区域中从监测终端的中间结果数据、自身测量的地震数据后，采用双曲线定位法，生成第二双曲线方程，将第一双曲线方程和第二双曲线方程联合计算，两个双曲线方程的交叉点即为震中位置。
6.根据权利要求1所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：主监测终端的地震信息在通信过程中丢失时，则选择震波前进方向上距离主监测终端最近的从监测终端作为新的主监测终端。
7.根据权利要求1所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：所述应急信息发布系统接收最终结果数据量超过预先设定的监测终端数量阈值，则触发地震预警；并对最终结果数据计算平均值，将所述平均值作为震中信息发布预警信息。
8.根据权利要求1所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：该方法通过自组织分布式地震监测及预警系统实现，所述自组织分布式地震监测及预警系统包括：
分布在被监测地震区域的多个监测终端；
接收所述监测终端发送的地震波数据并向所述监测终端发送地震预警信息的应急信息发布系统。
9.根据权利要求8所述的基于应急信息发布系统的自组织地震监测及预警方法，其特征在于：每个监测终端均包括主控制器，与所述主控制器连接的MEMS传感器、GNSS定位器、GNSS校时器以及网络通信模块；所述MEMS传感器获得的地震信息传送至主控制器，主控制器通过GNSS定位器及GNSS校时器校准后通过网络通信模块传送至应急信息发布系统。
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